Hvad guppy-guts kan lære os om evolution

På listen over videnskabelige værktøjer, der hjælper os med at forstå sundhed, evolution eller miljøet, kommer den Trinidadian guppy ikke ofte til at tænke på.

Fiskene opfattes oftere som akvariekæledyr i USA, og i deres hjemland Trinidad er vilde guppyer så allestedsnærværende, at de næsten tages for givet.

"I Trinidad kaldes de drænfisk, og de lokale ville spørge os:'Hvorfor studerer du drænfisk?'," sagde Sarah Fitzpatrick, en assisterende professor ved Michigan State Universitys afdeling for Integrativ Biologi.

"Guppyer i Trinidad er lidt ligesom egern i Michigan," sagde Sarah Evans, lektor og Fitzpatricks afdelingskollega i College of Natural Science.

Men takket være en unik kombination af biologi og økologi har guppyerne givet forskere indsigt i evolution i årtier. Evans og Fitzpatrick har skubbet disse indsigter et skridt videre og viser guppyernes potentiale til at hjælpe med at undersøge store spørgsmål om, hvordan mikrober, der lever i værtsorganismer, bidrager til sundhed, overlevelse og livskvalitet.

Et forskerhold ledet af spartanerne, som begge er baseret på W.K. Kellogg Biological Station, offentliggjorde sine resultater den 25. maj i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences .

Efterhånden som forskere lærer mere om tarmmikrobiomet - samlingen af ​​mikrober, der lever i en værtsorganismes fordøjelseskanal - bliver det mere og mere klart, at det spiller en vigtig rolle i værtens velbefindende. Faktisk er menneskers sundhed tæt knyttet til vores tarmmikrobiom.

Evans og Fitzpatrick er interesserede i nogle af biologiens store spørgsmål og ønskede bedre at forstå, hvordan mikrobiomer ændrer sig, efterhånden som organismer udvikler sig.

"Fordi mikrobiomet påvirker fitness - en organismes sundhed og reproduktion - kan det påvirke evolution," sagde Evans, som er et kernefakultetsmedlem af MSU's Ecology, Evolution and Behavior Program eller EEB.

Naturen er fuld af interessante eksempler på dette, blandt dem termitter. Langs deres evolutionære vej tilpassede termitter sig til at byde populationer af encellede protozoer velkommen i deres tarme, hvilket sætter dem i stand til at fordøje træ.

Kæmpepandaer giver et andet eksempel. Kost påvirker et mikrobiom, og pandaer spiser kun blade. Alligevel kan pandamikrobiomer mere ligne deres kødædende slægtninge end nogle af deres planteædende slægtninge. Det skyldes sandsynligvis formen og størrelsen af ​​selve pandaens tarm, som udviklede sig fra en kødædende forfader.

Evans og Fitzpatrick ønskede bedre at undersøge, hvad der er de største drivkræfter bag mikrobiomer, når værtsorganismer udvikler sig. Det kan være ting som tarmform, kost eller karakteristika ved et nyt miljø, som sandsynligvis indeholder mikrober, der er fremmede for værten. Forskerne vidste, at guppy kunne låne en finne fra deres unikke "naturlige laboratorium."

"Trinidad er en kontinental ø," sagde Fitzpatrick, som også er et kernefakultetsmedlem af EEB-programmet og koordinator for Molecular Ecology and Genomics Lab på Kellogg Biological Station. "Det er for lang tid siden adskilt fra Sydamerika. Det har faktisk en fortsættelse af den nordligste del af Andesbjergkæden."

Floder og vandløb løber ned af Trinidads bjerge i selvstændige systemer. Inden for hvert vandsystem er der uafhængige økosystemer af guppy, der naturligt ikke forvilder sig langt hjemmefra.

I 1950'erne indså evolutionsforskere, at de kunne tage guppyer fra et økosystem, hvor fiskene havde masser af naturlige rovdyr, og sætte dem i et andet, hvor de ikke havde. Over tid vil fiskens gener og egenskaber tilpasse sig for at afspejle de indfødte populationer i disse lav-rovdyrmiljøer. Ligeledes vil fisk, der overføres fra steder med lavt prædationsniveau, tilpasse sig, når de overføres til vandløb med et stort antal rovdyr.

"Og det kan gentages. De udvikler sig på mange af de samme måder næsten hver gang," sagde Evans. "Det er derfor, dette system er i lærebøger."

"I betragtning af at vi ved, at guppy udvikler sig meget hurtigt på parallelle måder, kunne vi spørge, hvordan mikrobiomet ændrer sig, når guppy udvikler sig," sagde Fitzpatrick.

Evans og Fitzpatrick vendte tilbage til de samme steder, hvor videnskabsmænd plejede at studere guppy-evolution for i stedet at prøve mikrobiomet af indfødte fisk såvel som transplanterede populationer. De tog til mere end et dusin forskellige steder og prøvede fiskeslægter, der var blevet transplanteret så sent som for fem år siden, og andre, der blev flyttet tættere på for 60 år siden.

I samarbejde med brasilianske eksperter fra Rio de Janeiro State University fandt Evans og Fitzpatrick ud af, at guppyernes mikrobiomer ændrede sig som reaktion på deres miljø meget hurtigere end deres gener og fysiske egenskaber. Formen på guppy-indvolde, som driver hvilke typer mikrober der overlever der, ændrede sig også hurtigere end forventet.

Men i modsætning til generne og egenskaberne fra transplanterede fiskeefterkommere, endte deres tarmmikrobepopulationer ikke med at matche dem, der findes i fisken hjemmehørende i et bestemt miljø. På trods af misforholdet var mikrobiomernes funktion ens. Det vil sige, at transplanterede fiskeslægter havde forskellige mikrober, der i det væsentlige gjorde det samme som indfødte.

Evans og Fitzpatrick fik ideen til denne undersøgelse for år siden, da de begge var postdoktorale forskere. Det var en spontan idé, men en der ville kombinere styrkerne fra Evans, en ekspert i mikrobiologi, og Fitzpatrick, en ekspert i evolutionær økologi.

"Dette er det spændende ved tværfaglige samarbejder, sammensmeltning af ideer og ekspertise," sagde Fitzpatrick. "Så åbner det nye og interessante spørgsmål."

De to tog til Trinidad for at indsamle prøver i 2014, og på det tidspunkt var det et sideprojekt. Siden da har de startet deres egne forskningslaboratorier på MSU, hvilket gør det svært at finde tid til at fuldføre projektet – en udfordring, der blev yderligere forstærket under COVID-19-pandemien.

Nu har de offentliggjort forskningen i et særligt nummer af Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences , som viser arbejdet for dem, der er ramt af coronavirus, især kvinder og viceværter.

"Vi var virkelig glade for at støtte denne særlige udgave," sagde Fitzpatrick. "Tre af de fire forfattere er kvinder med børn."

Selvom det var et særligt problem, gennemgik forskningen den typiske, strenge peer-review før offentliggørelsen. Og forskerne hørte nogle af de typiske kritikpunkter af en undersøgelse som denne.

For nogle anmeldere er guppy-systemet for rodet; det giver ikke forskerne nok af den kontrol, de ville have med laboratorieforsøg. For andre er det ikke rodet nok. Med guppyernes unikke økologi undrer de sig over, hvor vidt guppy-afledte fund kan anvendes i naturen. Men en anden måde at se det på er, at ingen undersøgelse er perfekt, og guppyer lader ikke perfekt blive det godes fjende.

"Vi tror, ​​vi er i et sødt sted - et naturligt laboratorium," sagde Evans. "Der er kraft i at have det derimellem."